Ein Kondensator wird mit Wechselspannung betrieben — das E-Feld zwischen den Platten ändert sich ständig, ein Strom fließt dort nicht. Was findet man im Raum zwischen den Platten?

Erklärung: Kern der Maxwellschen Theorie: Jede zeitliche Änderung des einen Feldes erzeugt das jeweils andere. Ein veränderliches E-Feld ist von einem magnetischen Wirbelfeld umschlossen — auch ganz ohne Strom und abseits der Platten.

Was belegt der Versuch mit der elektrodenlosen Ringentladung?

Erklärung: Die Ladungsträger im Gasring werden ohne jede Elektrode beschleunigt. Das gelingt nur, weil das wechselnde Magnetfeld ringförmige elektrische Feldlinien erzeugt — ein Wirbelfeld ohne Anfang und Ende.

Das Funksignal einer Raumsonde erreicht die Erde durch Millionen Kilometer Vakuum. Was hält die Welle unterwegs aufrecht?

Erklärung: Jede Feldänderung erzeugt das andere Feld ein Stück weiter im Raum — diese Kopplung trägt die Welle. Anders als Schall braucht die elektromagnetische Welle deshalb weder ein materielles Medium noch Ladungen unterwegs.

Eine elektromagnetische Welle läuft waagrecht nach Osten, ihr E-Feld schwingt senkrecht (auf und ab). In welcher Richtung schwingt das B-Feld?

Erklärung: E-Feld, B-Feld und Ausbreitungsrichtung stehen paarweise senkrecht aufeinander (Transversalwelle). Bei Ausbreitung nach Osten und vertikalem E-Feld bleibt für das B-Feld nur die horizontale Nord-Süd-Richtung.

Eine Messstation weit entfernt vom Sendedipol registriert gerade das Maximum des E-Felds. Im selben Moment ist dort auch das B-Feld maximal.

Erklärung: Richtig! Im Fernfeld schwingen E-Feld und B-Feld phasengleich — beide erreichen ihre Maxima gleichzeitig, anders als im Nahfeld. In jedem Moment gilt dort E = B·c.

Im Fernfeld gilt E = B·c. Berechne die elektrische Feldstärke E für B = 1,0·10⁻⁸ T. (c = 3,0·10⁸ m/s, Antwort in V/m)

Erklärung: E = B·c = 1,0·10⁻⁸ T · 3,0·10⁸ m/s = 3 V/m. Die beiden Feldstärken sind im Fernfeld fest aneinander gekoppelt.

Der Mikrowellensender im Unterricht arbeitet mit f = 9,45 GHz. Berechne die Wellenlänge λ = c/f. (c = 3,0·10⁸ m/s, Antwort in Zentimetern, eine Dezimalstelle)

Erklärung: λ = 3,0·10⁸ / 9,45·10⁹ m ≈ 0,032 m ≈ 3,2 cm. Diese handliche Wellenlänge macht Mikrowellen ideal für Wellenexperimente auf dem Labortisch.

Vor einer Metallwand bildet sich durch Überlagerung von hinlaufender und reflektierter Mikrowelle eine stehende Welle. Der Abstand benachbarter Knoten beträgt 1,6 cm. Berechne die Wellenlänge. (Antwort in Zentimetern, eine Dezimalstelle)

Erklärung: Benachbarte Knoten einer stehenden Welle liegen λ/2 auseinander. Also ist λ = 2 · 1,6 cm = 3,2 cm — so misst man die Wellenlänge des Senders direkt.

Zwischen Mikrowellensender und Empfänger werden nacheinander drei gleich dicke Platten gestellt. Hinter welcher Platte bleibt der Empfang aus?

Erklärung: Metalle schirmen Mikrowellen ab — die freien Elektronen schwingen mit und senden eine Sekundärwelle aus, die die Welle dahinter auslöscht. Nichtleiter wie Holz oder Styropor durchdringt die Strahlung fast ungeschwächt.

Mikrowellen treffen auf ein mit Quarzsand gefülltes Kunststoffprisma. Wo registriert der Empfänger dahinter das stärkste Signal?

Erklärung: Das Prisma bricht die Mikrowellen wie ein Glasprisma das Licht — der Empfänger findet das Maximum erst, wenn er aus der geraden Richtung verschoben wird. Elektromagnetische Wellen zeigen Brechung; absorbiert wird im Sand nur wenig.

Sende- und Empfangsdipol stehen parallel. Ein Drahtgitter wird parallel zu beiden dazwischengestellt. Was registriert der Empfänger?

Erklärung: Das E-Feld regt die Elektronen längs der parallelen Stäbe zu Schwingungen an; deren Sekundärwelle löscht die Primärwelle hinter dem Gitter aus. Dreht man das Gitter um 90°, geht die Welle ungehindert durch.

Der Sendedipol steht senkrecht. Dreht man den Empfangsdipol aus der senkrechten in die waagrechte Lage, geht der Empfang stark zurück.

Erklärung: Richtig! Die vom Dipol ausgesandte Welle ist linear polarisiert — ihr E-Feld schwingt in Richtung des Sendedipols. Steht der Empfangsdipol quer zur Schwingungsrichtung des E-Felds, wird er kaum noch angeregt.

Da E-Feld und B-Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen, ist die elektromagnetische Welle eine ___.

Erklärung: Bei einer Transversalwelle steht die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Nur Transversalwellen lassen sich polarisieren — der experimentelle Beleg ist der Drahtgitterversuch.

Mit welcher Geschwindigkeit breiten sich elektromagnetische Wellen im Vakuum aus?

Erklärung: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit folgt allein aus den Feldkonstanten ε₀ und μ₀. Dass genau die Lichtgeschwindigkeit herauskommt, ist ein starker Hinweis, dass auch Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Ein sich zeitlich änderndes elektrisches Feld ist von einem ___ Feld umgeben.

Erklärung: Das ist Maxwells Kernaussage — und ihre Umkehrung gilt auch, ein sich änderndes Magnetfeld ist von einem elektrischen Wirbelfeld umgeben. Diese Kopplung trägt die Welle durchs Vakuum.

Aufgabe 1 von 15